Berechnung von Transport- und Lagerbehältern für Brennelemente

(1)

Lehrstuhl für

Konstruktionslehre und CAD Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg

Berechnung von Transport - und

Lagerbehältern für Brennelemente Herausforderungen bei thermischen und

thermo-mechanischen Simulationen

Christian Dinkel, M.Sc.

Dr.-Ing. Bernd Roith (ENSI) Michael Frisch, M.Sc.

Prof. Dr.-Ing Frank Rieg

Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD

3D-Konstrukteurstag, Universität Bayreuth

17. September 2014

(2)

Lehrstuhl für 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth

Inhaltsverzeichnis

2

Aufbau von Brennelementbehältern 3

Behälterschutzziele 4

Schutzziel Wärmeabfuhr 5

Thermische Spaltbedingung 13

Wärmeübertragung im Gasspalt 16

Verifizierung der Spaltbedingung 17

Thermische Simulationen 6

Thermo-mechanische Simulationen 12

Zusammenfassung und Ausblick 18

(3)

Lehrstuhl für

Konstruktionslehre und CAD

Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Christian Dinkel, M.Sc.

3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Universität Bayreuth

Explosionszeichnung und schematische Darstellung

Aufbau von Brennelementbehältern

3

Aufbau Transport- und Lagerbehälter

¹

Schematische Darstellung

1) Bild: Fa. TN International. www.areva.com [1]

(4)

Überblick

Behälterschutzziele

4

Schutzziele Beschreibung

Wärmeabfuhr

Unterkritikalität sichern durch Neutronenabsorption

Regelwerke Schweiz

Dichtheit und Integrität

Strahlenschutz

Kritikalitätssicherheit

Einhalten von Dosisleistungsgrenzen an Oberfläche und in 2 m Abstand

Einhalten von Grenzwerten bzgl.

Aktivitätsfreisetzung

Einhalten von Temperaturen bzgl.

Hüllrohre, Neutronenabsorber und Dichtungen…

Richtlinie ENSI-G04²: Auslegung und Betrieb von Lagern für

radioaktive Abfälle und abgebrannte

Brennelemente

Richtlinie ENSI-G05³: Transport- und

Lagerbehälter für die Zwischenlagerung

2) Richtlinie ENSI-G04 [2]

3) Richtlinie ENSI-G05 [3]

(5)

Lehrstuhl für

 Einsatz von Materialien mit Kombination aus hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit

 Kühlrippen an Behälteraußenseite zur

Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche

 Einsatz von Helium als Füllgas

Umsetzung durch Design

Anforderungen und Umsetzung

Schutzziel Wärmeabfuhr

5

 Begrenzung der Temperatur im Lagergut und in Behälterwerkstoffen

 Nachweisführung:

 Max. Hüllrohrtemperatur bei Brennelementen

 An der Innenoberfläche und Außenoberfläche des Behälters

 An der Innen- und Außenseite des Moderatormaterials

 An den Hauptdichtungen der Behälterabschlüsse

 Begrenzung der Temperatur an Behälteroberflächen und in Gebäudeteilen des Zwischenlagers

 Grenztemperatur 120 °C an Behälteroberflächen

 Grenztemperatur 100 °C an Gebäudeteilen, die in Kontakt mit Behälter stehen

 Oder entsprechend eines weiterführenden Nachweises

Anforderungen ENSI-G05

⁴

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

0 200 400

Wärmeleitfähigkeit λ [W/m K] 5

Temperatur T [°C]

Helium Luft

x 5,4

4) ENSI-G05 [3]

5) VDI Wärmeatlas [4]

(6)

Grundlagen der Modellbildung

Thermische Simulationen

6

 Große Unterschiede bzgl. Wärmeleitfähigkeit von Metallen und Gasen

 Dünne metallische Körper können großen Einfluss haben

Modellbildung

⁶

Beschreibung

⁷

 Temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit von Metallen und Gasen

0,01 0,1 1 10 100 1000

0 100 200 300 400 500

Wärmeleitfähigkeit [W/mK]

Temperatur [°C]

Helium Luft

Stickstoff Stahl 1.0305 Grauguss Aluminium 1100

6) Koch [5]

(7)

Lehrstuhl für

Grundlagen der Modellbildung

Thermische Simulationen

7

 Wärmeleitfähigkeit ggf. temperaturabhängig definieren

Modellbildung

⁷

Beschreibung

⁸

 Temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit von Gasen

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

0 200 400

Wärmeleitfähigkeit [W/mK]

Temperatur [°C]

Helium Luft Stickstoff

7) Koch [5]

(8)

Grundlagen der Modellbildung

Thermische Simulationen

8

 Gase und Nichtmetalle können ggf. vernachlässigt werden, wenn sie nicht als Barriere wirken

Modellbildung

⁹

Beschreibung

9) Koch [5]

(9)

Lehrstuhl für

Grundlagen der Modellbildung

Thermische Simulationen

9

 Gase auch als Solid-Elemente modellierbar

Modellbildung

¹⁰

Beschreibung

 Vernetzter Gasspalt aus Solid-Elementen (braun)

10) Koch [5]

(10)

Grundlagen der Modellbildung

Thermische Simulationen

10

 Gase auch als Solid-Elemente modellierbar

 Kontaktstellen können großen Einfluss haben

 Vernetzungsschwierigkeiten durch dünne Strukturen

Modellbildung

¹¹

Beschreibung

Tragkorb He-Spalt Außen- behälter

11) Koch [5]

(11)

Lehrstuhl für

Ziele und Ergebnisse

Thermische Simulationen

11

1. Ziel

Temperatur der Hüllrohre der Brennelemente

2. Ziel

Temperaturverteilung im Behälterinneren

3. Ziel

Äußere Wärmeabfuhr und

Oberflächentemperatur

(12)

Problematik

Thermo-mechanische Simulationen

12

Thermische Simulation Mechanische Simulation

3) Neuvernetzung 1) Thermische

Modellbildung

2) Thermische Simulation

4) Mechanische Modellbildung

5) Mechanische Simulation

 Gasspalt mit großem Einfluss

 Steigerung der

Rechenzeit durch hohe Elementanzahl

 Gasspalt ohne Einfluss

 Steigerung der Rechenzeit durch Neuvernetzung

(13)

Lehrstuhl für

Kombiniertes Modell

Thermische Spaltbedingung

13

Erzeugung eines gemeinsam nutzbaren Modells für thermische und thermo-mechanische Berechnung ohne neuerliche Vernetzung Ziel

Kombination aus analytischen und simulativen Verfahren zur Substitution des wichtigsten Gasspalts auf Grundlage von Z88

durch Erzeugung einer thermischen Spaltbedingung Umsetzung

Ergebnis +

Innenteil Spalt

+

Außenteil

(14)

Konzept und Etablierung

Thermische Spaltbedingung

14

Lösung Innenbehälter

 Thermische FE-Analyse des Innenbehälters

 Außenbehälter existiert in dieser Simulation nicht

Analytische Spaltbetrachtung

Konzeptidee: Getrennte FE-Simulation durch thermische Spaltbedingung

Lösung Außenbehälter

 Knotentemperaturen an

Außenfläche des Innenbehälters sind bekannt

 Analytische Betrachtung der Wärmeübertragung im unvernetzten Spalt

 Ergebnisse aus 2 werden auf Innenseite des Außenbehälters aufgegeben

 Thermische FE-Analyse des Außenbehälters und

Zusammenführung der thermischen Lösungen

1 2 3

(15)

Lehrstuhl für

Konzept und Etablierung

Thermische Spaltbedingung

15

Lösung Innenbehälter

 Thermische FE-Analyse des Innenbehälters

 Außenbehälter existiert in dieser Simulation nicht

Analytische Spaltbetrachtung Konzeptidee: Getrennte FE-Simulation

Lösung Außenbehälter

 Knotentemperaturen an

Außenfläche des Innenbehälters sind bekannt

 Analytische Betrachtung der Wärmeübertragung im unvernetztem Spalt

 Ergebnisse aus 2 werden auf Innenseite des Außenbehälters aufgegeben

 Thermische FE-Analyse des Außenbehälters und

Zusammenführung der thermischen Lösungen

1 2 3



Spalt bleibt unvernetzt



FE-Modell kann für thermische und thermo-mechanische Analyse genutzt werden



Rechenzeit wird eingespart

(16)

Analytische Betrachtung

Wärmeübertragung im Gasspalt

16

Wärmeübertragung im He-Spalt¹²

Konvektion Wärmeleitung Wärmestrahlung

𝑄 = 𝐶₁₂𝐴(𝑇₁⁴− 𝑇₂⁴) 𝑄 = 𝜆 2𝜋 𝐿 ∙ 𝑇₁ − 𝑇₂

𝑙𝑛 𝑟^𝑎 𝑟_𝑖 𝑄 = 𝛼 𝐴 𝑇₁− 𝑇₂

Kennwert

𝑄 _𝐺𝑒𝑠 = 𝐴 𝜆_{𝑆𝑡𝑟𝑎ℎ𝑙𝑢𝑛𝑔} + 𝜆_𝐿𝐾 𝐿 𝑇₁ − 𝑇₂

(17)

Lehrstuhl für

Untersuchungen

Verifizierung der Spaltbedingung

17

 Berechnung der

Wärmeübertragung nach VDI- Wärmeatlas¹³

 Untersuchung der

Strömungsgeschwindigkeiten etwaiger

Konvektionsströmungen

 Verifizierung durch eigene Messergebnisse

Analytische Rechnungen CFD-Simulationen Versuchsaufbau

(18)

Zusammenfassung und Ausblick

18

 Brennelementbehälter können thermisch und thermo-mechanisch simuliert werden

 Simulationen aufgrund von Gasspalten mit kleinen Abmessungen oft sehr aufwendig

 Verknüpfung von analytischer Rechnung und Simulation auf Basis von Z88 zur Einsparung von Rechenzeit und zur Vereinfachung der Simulation

Zusammenfassung

 Ausarbeitung der thermischen Spaltbedingung

 Verknüpfung der inneren und äußeren FE- Simulation

 Erarbeitung eines Konvektionssolvers für Z88Aurora

Ausblick

(19)

Lehrstuhl für

19

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(20)

Literaturverzeichnis

20

[1] Bild: Fa. TN International. www.areva.com

[2] Schweizer Eidgenossenschaft: Auslegung und Betrieb von Lagern für radioaktive Abfälle und abgebrannte Brennelemente. Richtlinie ENSI-G04. 2010

[3] Schweizer Eidgenossenschaft: Transport- und Lagerbehälter für die Zwischenlagerung. Richtlinie ENSI-G05. 2008 [4] Verein Deutscher Ingenieure: VDI Wärmeatlas. 11. Auflage. Springer Verlag. Berlin Heidelberg. 2013.

[5] Koch, F.: FEA in der Sicherheitstechnik. Universität Bayreuth. Bayreuth. 2014.